Full text of "Kraftstoffverbrauch durch Entnahme von Zapfluft und Wellenleistung von Strahltriebwerken"

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Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Hamburg University of Applied Sciences

Projekt

Studiendepartment Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau

Kraftstoffverbrauch durch Entnahme von Zapfluft und
Wellenleistung von Strahltriebwerken

Verfasser: Sebastian Ahlefelder

Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Dieter Scholz, MSME
Abgabedatum: 24.05.2006

DOI:

http://doi.org/ 10.15488/4463

URN:

http://nbn-resolving.Org/um:nbn:de:gbv: 18302-aero2006-05-24.011

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http://nbn-resolving.Org/html/um:nbn:de:gbv:18302-aero2006-05-24.01 1

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http://doi.org/10.7910/DVN/WK9JD7

Kurzreferat

Zapfluft und Wellenleistung wird den Triebwerken entnommen, um die Energie für beispiels¬
weise die Kraftstoffpumpen, das Inflight Entertainment oder die Flügelvorderkantenenteisung
zu erzeugen. Diese Energiegenerierung, hat einen Anstieg des Kraftstoffverbrauches zur Folge.
Es hat sich herausgestellt, dass die Stelle der Zapfluftentnahme einen starken Einfluss auf den
Gradienten des Brennstoffverbrauches hat. Das Projekt beschäftigt sich mit Zwei- und Drei-
welligen-Turbofantriebwerken und untersucht an ihnen, die Effekte der Leistungsnahmen. Als
Simulationssoftware wurde GasTurb 8.0 eingesetzt und auf die integrierten Triebwerkskonfi¬
gurationen zurückgegriffen. Ziel der Arbeit ist die Ennittlung einer mathematischen Beziehung
zur Berechnung des zusätzlichen Kraftstoffmassenstromes infolge einer Zapfluft- oder Wel¬
lenleistungsentnahme. So stellt sich die Frage, welche Triebwerksparameter dafür berücksich¬
tigt werden müssen. Eine Wellenleistungsentnahme verursacht beispielsweise einen linearen
Anstieg des spezifischen Kraftstoffverbrauches. Ist diese Zunahme, identisch mit der einer
Zapfluftentnahme? Am Ende der Kapitel werden die Ergebnisse mit Literaturwerten vergli¬
chen und versucht Tendenzen zu erkennen bzw. bestehende zu erhärten.

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Hamburg University of Applied Sciences

STUDIENDEPARTMENT FAHRZEUGTECHNIK UND FLUGZEUBAU

Kraftstoffverbrauch durch Entnahme von Zapfluft
und Wellenleistung von Strahltriebwerken

Aufgabenstellung für ein Projekt 2

Hintergrund

Zum sicheren und komfortablen Betrieb eines Flugzeugs müssen diverse Geräte und Anlagen
an Bord betrieben werden. Es handelt es sich beispielsweise um die Kraftstoffpumpen, die
Flugsteuerungsaktuatoren, die Enteisungsanlage für die Flügelvorderkante oder die
Bildschirme für Inflight Entertainment. Der Betrieb dieser und anderer Geräte wird durch die
Sekundärenergie im Flugzeug gewährleistet: Elektrik, Hydraulik und Pneumatik. Im normalen
Reiseflug kommt alle Energie für die Sekundärenergiesysteme von den Triebwerken. Den
Triebwerken wird Zapfluft entnommen zum Betrieb der Pneumatikanlage. Den Triebwerken
wird weiterhin Wellenleistung entnommen zum Betrieb von Pumpen, die die Hydraulikanlage
versorgen und von Generatoren, die das elektrische Bordnetz versorgen. Diese
Leistungsentnahme vom Triebwerk erhöht dabei den Kraftstoffverbrauch der Triebwerke.

Aufgabe

Mit Hilfe des Programms GasTurb (www.GasTurb.de) sollen Triebwerke simuliert werden.
Dabei kann der Student auf Beispieltriebwerke zurückgreifen, die in GasTurb definiert sind.
Bei verschiedenen Betriebsbedingungen der Triebwerke sollen dann die Entnahme von
Zapfluft und/oder Wellenleistung simuliert werden, wobei die Veränderung im
Kraftstoffverbrauch aufgezeichnet werden soll. Anschließend soll der Versuch unternommen
werden, allgemeine Zusammenhänge und Trends im Kraftstoffverbrauch als Fu nk tion der
entnommenen Leistung aufzuzeigen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind mit Daten aus der
Literatur zu vergleichen.

Die Ergebnisse sollen in einem Bericht dokumentiert werden. Bei der Erstellung des Berichtes
sind die entsprechenden DIN-Normen zu beachten.

Hinweis:

Diese Projekt wird gemeinsam betreut von Prof. Dr. Bräunling und Prof. Dr. Scholz.

Inhalt

Seite

Verzeichnis der Bilder.6

Liste der Symbole.7

Liste der Abkürzungen.8

Verzeichnis der Begriffe und Definitionen.9

1 Einleitung.11

1.1 Motivation.11

1.2 Hintergrund.11

1.3 Ziel der Arbeit.12

1.4 Erläuterung der Aufgabenstellung.13

1.5 Aufbau der Arbeit.14

2 Stand der Technik.15

3 Gasturbinensimulationssoftware GasTurb 8.0.17

3.1 Überblick.17

3.2 Berechnungsbeispiel.18

4 Berechnungsgrundlagen.21

4.1 T urbofantriebwerke.21

4.2 Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk.22

4.3 Drei-W ellen-T urbofantriebwerk.24

4.4 Betriebszustand und Kennwerte ausgewerteter Triebwerke.26

5 Zapfluftentnahme.31

5.1 Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk.32

5.2 Drei-Wellen-Turbofantriebwerk.36

5.3 Auswertung der Ergebnisse.39

5.4 Vergleich mit Werten aus der Literatur.40

6 Wellenleistungsentnahme.42

6.1 Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk.43

6.2 Drei-Wellen-Turbofantriebwerk.45

6.3 Auswertung der Ergebnisse.46

6.4 Vergleich mit Werten aus der Literatur.47

7 Zapfluft- und Wellenleistungsentnahme.48

7.1 Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk.49

7.2 Drei-Wellen-Turbofantriebwerk.51

7.3 Auswertung der Ergebnisse.53

7.4 Vergleich mit Werten aus der Literatur.53

8 Der Zapfluftparameter k B .54

8.1 Ergebnis.55

8.2 Auswertung.56

9 Der Wellenleistungsparameter k P .57

9.1 Ergebnis.58

9.2 Auswertung.58

10 Zusammenfassung und Ausblick.60

Literaturverzeichnis.62

Verzeichnis der Bilder

Bild 1.1 Zapfluft- und Wellenleistungsentnahme eines Triebwerkes.12

Bild 3.1 Gasturbinensimulationssoftware GasTurb 8.0.17

Bild 3.2 Auswahl des Antriebes und der Berechnungsart bei GasTurb 8.0.18

Bild 3.3 Design Point Input eines Three-Spool-Unmixed-Flow-Turbofan.19

Bild 3.4 Berechnungsergebnisse eines Three-Spool-Unmixed-Flow-Turbofan.20

Bild 4.1 Aufbau eines Turbofantriebwerkes.21

Bild 4.2 Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk.22

Bild 4.3 Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk mit Integral Schubdüse.23

Bild 4.4 Drei-Wellen-Turbofantriebwerk.24

Bild 4.5 Drei-Wellen-Turbofantriebwerk mit Integral Schubdüse.25

Bild 4.6 Bezugsebenen eines ZWTTs mit sep. Schubdüsen.27

Bild 4.7 Bezugsebenen eines ZWTTs mit Integral Schubdüse.28

Bild 4.8 Bezugsebenen eines DWTTs mit sep. Schubdüsen.29

Bild 4.9 Bezugsebenen eines DWTTs mit Integral Schubdüse.30

Bild 5.1 SFC über Zapfluftmassenstrom beim ZWTT mit sep. Schubdüsen.32

Bild 5.2 SFC über relativer Enthalpie beim ZWTT mit sep. Schubdüsen.33

Bild 5.3 SFC über Zapfluftmassenstrom beim ZWTT mit Integral Schubdüse.34

Bild 5.4 SFC über relativer Enthalpie beim ZWTT mit Integral Schubdüse.35

Bild 5.5 SFC über Zapfluftmassenstrom beim DWTT mit sep. Schubdüsen.36

Bild 5.6 SFC über relativer Enthalpie beim DWTT mit sep. Schubdüsen.37

Bild 5.7 SFC über Zapfluftmassenstrom beim DWTT mit Integral Schubdüse.38

Bild 5.8 SFC über relativer Enthalpie beim DWTT mit Integral Schubdüse.39

Bild 5.9 Zuwachs des SFC durch Zapfluftentnahme.40

Bild 5.10 Prozentualer Zuwachs des SFC durch Zapfluftentnahme.41

Bild 6.1 SFC über Wellenleistungsentnahme beim ZWTT mit sep. Schubdüsen.43

Bild 6.2 SFC über Wellenleistungsentnahme beim ZWTT mit Integral Schubdüse.44

Bild 6.3 SFC über Wellenleistungsentnahme beim DWTT mit sep. Schubdüsen.45

Bild 6.4 SFC über Wellenleistungsentnahme beim DWTT mit Integral Schubdüse.46

Bild 6.5 Anstieg des SFC durch Wellenleistungsentnahme.47

Bild 6.6 Zuwachs des SFC durch Wellenleistungsentnahme.47

Bild 7.1 SFC über WLE und ZLE beim ZWTT mit sep. Schubdüsen.49

Bild 7.2 SFC über WLE und ZLE beim ZWTT mit Integral Schubdüse.50

Bild 7.3 SFC über WLE und ZLE beim DWTT mit sep. Schubdüsen.51

Bild 7.4 SFC über WLE und ZLE beim DWTT mit Integral Schubdüse.52

Liste der Symbole

A SFC SFC ohne Wellenleistungsentnahme, vermindert um SFC mit Wellenleistungsent¬

nahme, in kg/(kN*s)

FN Startschub, in kN

FR P Schub im Reiseflug, bei entsprechender Wellenleistungs entnähme, in kN
k B Zapfluftparameter nach Ahlefelder

kB Zapfluftparameter nach Scholz 1998, in K 1

k P Wellenleistungsparameter, in N/W

m B Zapfluftmassenstrom, inkg/s

m /uel B zusätzlicher Kraftstoffmassenstrom durch Zapfluftentnahme, in kg/s
m fuel P zusätzlicher Kraftstoffmassenstrom durch Wellenleistungs entnähme, in kg/s

n Anzahl der Triebwerke, wird hier eins gesetzt

P Wellenleistungsentnahme, in kW

SFC spezifischer Kraftstoffmassenstrom, in kg/(kN*s)

T th Turbineneintrittstemperatur, in K

ju Nebenstromverhältnis

y Variable für m fuelB -Berechnung

Liste der Abkürzungen

DWTT

ISA

kPa

LPC

LPT

P3/P2

sep.

SFC

WLE

ZLE

ZWTT

Drei-Wellen-Turbofantriebwerk

Startschub

Schub im Reiseflug

Gramm

hour

high pressure

intermediate pressure

Internationale Standard Atmosphäre

Kelvin

Kilogramm

Kilonewton

Kilopascal

Kilowatt

low pressure

low pressure compressor

low pressure turbine

Meter

Newton

V erdichterdruckverhältnis

Sekunde

separat

spezifischer Kraftstoffverbrauch
W ellenleistungsentnahme
Zap fluftentnahme
Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk

Verzeichnis der Begriffe und Definitionen

Bypassverhältnis

Das Bypassverhältnis ist bei Turbofantriebwerken das Verhältnis aus, dem Luftmassenstrom
des Sekundärkreises, zum Luftmassenstrom des Primärkreises. Der Quotient wird mit dem
griechischen Buchstaben pi abgekürzt (Bräunling 2004, S. 24).

Enthalpie

In der Thermodynamik gilt die Enthalpie als ein Maß für die Energie eines Systems. Sie be¬
steht aus der Inneren Energie und der Verschiebearbeit (Cerbe 2002/2004, S. 45).

Flugsteuerungsaktuatoren

Flugsteuerungsaktuatoren sind hydraulische Bewegungsorgane. Sie wandeln die elektrischen
Signale der Flugsteuerung in mechanische Bewegung der aerodynamischen Steuerflächen um
(Hünecke 2004, S. 142).

Hauptgetriebe

Das Hauptgetriebe ist die Haupteinheit des sog. Hilfsgeräteträgers. Hier befinden sich und
werden über das Hauptgetriebe angetrieben, die Brennstoffpumpen, Ölpumpen, Hydraulik¬
pumpen usw. (Bräunling 2004, S. 1441).

Kerntriebwerk

Bei Turbofantriebwerken bezeichnet man als Kerntriebwerk, den Hochdruckverdichter, die
Brennkammer und die Hochdruckturbine (Bräunling 2004, S. 23f).

Overboard Bleed

Englischer Fachbegriff für die Zapfluft bzw. den Zapfluftmassenstrom, der dem Triebwerk ent¬
nommen wird (Bräunling 2004, S.141).

Relative Enthalpie

Die relative Enthalpie kenn z eichnet das Verhältnis zwischen der spezifischen Enthalpie der
entnommenen Zapfluft und der spezifischen Enthalpie am Ende des Verdichters. Daher ist die
relative Enthalpie am Ende des Verdichteraustritts per Definition immer eins. Wenn man zum
Beispiel an einem fünf stufigen Verdichter, an der dritten Stufe Zapfluft entnimmt, so beträgt
die relative Enthalpie an der Stelle: 3/5 = 0,6 (GasTurb 1998).

Spezifische Enthalpie

Eine physikalische Größe, die auf die Masse bzw. den Massenstrom bezogen ist, nennt man
eine spezifische Größe (Bräunling 2004, S. 77).

Verdichterstufe

Jeweils ein Rotor und ein Stator werden als Verdichterstufe bezeichnet (Bräunling 2004,
S.133).

Welle

Bei Flugzeugtriebwerken ist der Begriff Welle nur dann zulässig, wenn sich ein Verdichter und
eine Turbine auf ihr befinden (Bräunling 2004, S. 29).

1 Einleitung

1.1 Motivation

Die Treibstoffpreise werden in den nächsten Jahren insgesamt weiter zu nehmen. Um die Pro-
fitabilität von Verkehrsflugzeugen weiterhin zu gewährleisten bzw. zu steigern, muss sich der
Kraftstoffverbrauch reduzieren oder es müssen günstigere Antriebsmöglichkeiten zum Einsatz
kommen. Da jedoch eine Umrüstung auf z.B. Wasserstoff nicht innerhalb von 5 Jahren zu rea¬
lisieren ist, muss zunächst versucht werden den Kraftstoffverbrauch bestehender Trieb¬
werksauslegungen zu minimieren.

Durch den zunehmenden Leistungsbedarf von Flugzeugsystemen, bekommt die Leistungs¬
entnahme in Form von Wellenleistung und Zapfluft eine wachsende Bedeutung für den Kraft¬
stoffverbrauch. Dank der Entwicklung neuer Technologien, ist es möglich hydraulisch und
pneumatisch versorgte Systeme durch elektrisch versorgte zu ersetzen.

Um eine Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Systemkonfigurationen zu ermöglich, müssen
zunächst die Effekte der Leistungsentnahme an Triebwerken analysiert werden. Diesbezüglich
sind verschiedene Studien durchgeführt worden, die jedoch abweichende Ergebnisse lieferten.
Dies zeigt, dass weitere Betrachtungen notwendig sind, um zusätzliche Resultate zu erhalten
bzw. eine Tendenz zu bestätigen.

1.2 Hintergrund

Zum sicheren und komfortablen Betrieb eines Flugzeugs müssen diverse Geräte und Anlagen
an Bord betrieben werden. Es handelt es sich beispielsweise um die Kraftstoffpumpen, die
Flugsteuerungsaktuatoren, die Enteisungsanlage für die Flügelvorderkante oder die Bildschir¬
me für Inflight Entertainment. Der Betrieb dieser und anderer Geräte wird durch die Sekun¬
därenergie im Flugzeug gewährleistet: Elektrik, Hydraulik und Pneumatik. Im normalen Reise¬
flug kommt alle Energie für die Sekundärenergiesysteme von den Triebwerken. Den Triebwer¬
ken wird Zapfluft entnommen zum Betrieb der Pneumatikanlage (Bild 1.1). Den Triebwerken
wird weiterhin Wellenleistung entnommen zum Betrieb von Pumpen, die die Hydraulikanlage
versorgen und von Generatoren, die das elektrische Bordnetz versorgen (Bild 1.1). Diese Lei¬
stungsentnahme vom Triebwerk erhöht dabei den Kraftstoffverbrauch der Triebwerke.

Zapfluft

Enteisung

liydr. elektr. Leistung

Bild 1.1

Zapfluft- und Wellenleistungsentnahme eines Triebwerkes (Dollmayer 2004)

1.3 Ziel der Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, die Veränderung des Kraftstoffverbrauches, der sich durch die Ent¬
nahme von Zapfluft und/oder Wellenleistung ergibt, zu bestimmen. Ferner sollen allgemeine
Zusammenhänge zwischen der Leistungsentnahme und dem zusätzlichen Kraftstoffverbrauch
aufgezeigt werden. Mit Hilfe der daraus resultierenden Beziehungen, soll sich der zusätzliche
Brennstoffverbrauch rechnerisch ennitteln lassen.

1.4 Erläuterung der Aufgabenstellung

Die Aufgabenstellung, Kraftstoffverbrauch durch die Entnahme von Zapfluft und Wellenlei¬
stung von Strahltriebwerken, soll hier dargelegt werden.

Der Begriff Kraftstoffverbrauch meint in diesem Zusammenhang, den Brennstoffmassenstrom
pro Kilonewton Schub. Diese Definition wird häufig als spezifischer Kraftstoffverbrauch
(SFC) bezeichnet (Bräunling 2004, S. 287).

Der Ausdruck Zapfluft beschreibt die Entnahme von Luft vom Verdichter des Triebwerks. Sie
wird mit Hilfe von Ablaßventilen an den entsprechenden Verdichterstufen abgezapft. Zapfluft,
die für Verbrauchszwecke benutzt wird, entnimmt man nur im Bereich der mittleren bis hinte¬
ren Stufen des Hochdruckverdichters (Bräunling 2004, S. 141).

Die Wellenleistung wird dem Triebwerk von der äußeren Verdichterwelle entnommen. Die
Energieübertragung erfolgt mit Hilfe eines Kegelradgetriebes und einer radial verlaufenden
Welle. Sie treibt die Haupteinheit des Hilfsgeräteträgers, das sog. Hauptgetriebe, an (Bräun¬
ling 2004, S. 143f).

Zum Schluss soll die Bezeichnung Strahltriebwerk erläutert werden. Ein Strahltriebwerk ist ei¬
ne Wärmekraftmaschine. Wärmekraftmaschinen wandeln Wärmeenergie in mechanische Ar¬
beit oder in kinetische Energie um. Diese Form der kinetischen Energie wird als Gasstrahl be¬
zeichnet und sorgt in Strahltriebwerken für die Schuberzeugung (Bräunling 2004, S. 4ff).

1.5 Aufbau der Arbeit

In dieser Projektarbeit wird, wie aus der Aufgabenstellung hervorgeht, ein sehr spezielles

Thema aus dem Bereich der Flugzeugtriebwerke bearbeitet. Um den Inhalt übersichtlich zu ge¬
stalten, wurde die Arbeit in folgende Abschnitte unterteilt:

Abschnitt 1 enthält die Einleitung.

Abschnitt 2 beinhaltet die Auswertung einer Literaturrecherche über den Kraftstoffver¬
brauch, infolge von Leistungsentnahmen am Triebwerk. Ferner gibt sie die
zeitliche Entwicklung der durchgeführten Analysen wieder.

Abschnitt 3 betrachtet die Triebwerkssimulationssoftware GasTurb 8.0. Hier wird zu¬
nächst ein Überblick über Anwendungsmöglichkeiten gegeben, bevor an¬
hand einer Beispielrechnung die Funktionsweise erläutert wird.

Abschnitt 4 erklärt die Grundlagen von Turbofantriebwerken. Anschließend wird auf die
Betriebszustände und Kennwerte der Beispieltriebwerke, aus GasTurb 8.0,
eingegangen.

Abschnitt 5 widmet sich der Zapfluftentnahme (ZLE). Wobei zunächst die Funktions¬
weise erläutert wird, danach die Ergebnisse dargelegt werden und zum
Schluss ein Vergleich mit Werten aus der Literatur stattfindet.

Abschnitt 6 befasst sich mit der Wellenleistungsentnahme (WLE). Hier erfolgt ebenfalls
vorerst die Erläuterung des Prinzips, mit daran anknüpfender Ergebnisdar¬
stellung und abschließendem Vergleich mit Literaturwerten.

Abschnitt 7 behandelt eine gleichzeitige Entnahme von Zapfluft und Wellenleistung. Es
kommt zur Bewertung.

Abschnitt 8 setzt sich mit dem Zapfluftparameter auseinander, um den Kraftstoffmas-
senstrom zu berechnen, der sich infolge einer Zapfluftentnahme einstellt.

Abschnitt 9 enthält die Ermittlung des Wellenleistungsparameters, zur Bestimmung des
Kraftstoffverbrauches infolge einer Wellenleistungsentnahme.

Abschnitt 10 beinhaltet die Zusammenfassung. Des weiteren werden Themen und Pro¬
bleme angesprochen, die in weiteren Studien zu behandeln wären.

2 Stand der Technik

In den letzten Jahren, ist der Leistungsbedarf der Flugzeugsysteme bezüglich der Gesamt¬
triebwerksleistung, stetig gestiegen. Durch den höheren Leistungsbedarf von Flugzeugsyste¬
men bekommt die Leistungsentnahme, in Form von Wellenleistung und Zapfluft, eine wach¬
sende Bedeutung für den Kraftstoffverbrauch. Steigende Kraftstoffpreise, sowie zunehmender
Wettbewerbsdruck zwischen den Flugzeugbetreibern machen deshalb eine Analyse des Kraft¬
stoffverbrauches durch Flugzeugsysteme interessant (Dollmayer 2004).

In AIR 1168 werden erste mathematische Ansätze, für den zusätzlichen Kraftstoffverbrauch
durch Leistungsentnahmen am Triebwerk formuliert. So lässt sich, mittels einer einfachen
Gleichung, die Veränderung des Kraftstoffmassenstromes durch eine Zapfluftentnahme ab¬
schätzen. Eine Beziehung die den gestiegenen Kraftstoffmassenstrom, auf Grund einer Wel¬
lenleistungsentnahme beschreibt, findet man jedoch nicht. Aus den gegebenen Diagrammen,
lässt sich lediglich die Treibstoffmasse ennitteln, die zusätzlich für den Flug mitgeführt werden
muss.

Dechow 1994 stellt eine Methode zur Berechnung der Cost of Ownership, COO für Flug¬
zeugsysteme vor. Dazu müssen auch die Kraftstoffkosten der Systeme berechnet werden.
Eingabe für diese Berechnungen sind Kraftstofffaktoren nach dem Muster "Kraftstoffver¬
brauch/Nutzen". Es sind folgende Verhältnisse zu finden:

m B

In Dechow 1994 sind diese Quotienten für verschiedene Flugzeuge angegeben.

Analysen von Scholz 1998 ergaben eine Proportionalität zwischen der entnommenen Wellen¬
leistung und des spezifischen Kraftstoffverbrauches. Weiterhin stellte sich heraus, dass bei
konstanter Wellenleistungsentnahme, die Zunahme des spezifischen Kraftstoffverbrauchs mit
steigender Triebswerksgröße (bezogen auf den Start-Schub) abnimmt.

Weiterführende Berechnungen von Dollmayer 2004 zeigten, dass der spezifische Kraftstoff¬
verbrauch reduziert werden kann, wenn der Einlaufmassenstrom und dementsprechend das
Nebenstromverhältnis des Triebwerks erhöht wird. Durch das Potential der Kraftstoffeinspa¬
rung infolge eines höheren Einlaufmassenstroms, kann damit gerechnet werden, dass zukünf-

tige Triebwerksgenerationen größere Bypassverhältnisse haben werden. Bei der Wellenlei¬
stungsentnahme zeigte sich, dass innerhalb des für den Reiseflug relevanten Schubbereichs
die prozentuale Änderung des spezifischen Kraftstoffverbrauches nahezu linear mit steigen¬
dem Triebwerksschub abnimmt.

3 Gasturbinensimulationssoftware GasTurb 8.0

3.1 Überblick

GasTurb ist eine leistungsfähige und flexible Gasturbinensimulationssoftware. Es lassen sich
die üblichen Flugzeugtriebwerke, Fahrzeugantriebe sowie die Energieerzeugung simulieren.
Die Software beinhaltet eine Vielzahl von vordefinierten Gasturbinenkonfigurationen, wo¬
durch eine sofortige Berechnung ermöglicht wird. Ferner unterstützt es Ingenieure bei häufi¬
gen Problemstellungen, durch eine einfache Bedienung und gute Überschaubarkeit. Parametri¬
sche Studien (Parameter Study), Zyklenoptimierung (Opimitzation) und Monte Carlo Simula¬
tionen (Monte Carlo) können, verglichen mit anderen Simulationsprogrammen, schnell bear¬
beitet werden (Bild 3.1). Das gleiche gilt für Prüfüngsanalysen (test analysis), Auswirkungen
kleiner Veränderungen (small effects) und Betriebszustände außerhalb des Auslegungspunktes
(off design) (Kurzke 2005).

Bild 3.1

Gasturbinensimulationssoftware GasTurb 8.0

GasTurb 8.0 wurde von Herrn Dr. Joachim Kunzke, einem ehemaligen Mitarbeiter der MTU
Aero Engines, entwickelt und programmiert. Mittlerweile ist GasTurb 10 erhältlich, es besitzt
viele Neuerungen und eine neu gestaltete Benutzeroberfläche (Kurzke 2005).

3.2 Berechnungsbeispiel

Anhand eines Berechnungsbeispiels soll die Arbeitsweise mit GasTurb 8.0 beschrieben wer¬
den. Wie im Bild 3.2 dargestellt, erfolgt zunächst die Auswahl des Antriebs und der Berech¬
nungsart. Wobei es sich empfiehlt mit der Berechnung eines einzelnen Zyklus (calculate single
cycle) zu beginnen, um den Auslegungspunkt des Triebwerks festzulegen.

Bild 3.2

Auswahl des Antriebes und der Berechnungsart bei GasTurb 8.0

Anschließend erfolgt das Einlesen der vordefinierten Daten für den entsprechenden Antrieb.
Im Bild 3.3. sind diese für das Drei-Wellen-Turbofantriebwerk (DWTT) mit sep. Schubdüsen
Zusehen. Diese charakteristischen Größen sind, für jede Antriebsart, in einer Datei gespeichert.
Diese Datei wird mit GasTurb 8.0 geöffnet, um eine Grundlage für eine Berechnung zu haben.

<9 Design Point Input

'□SB

File Define Iterate Nomenclature

£l A üteS, + &

Fuel (Standard

IPC Design ] HPC Efficiency ] HPC Design

HPT Efficiency

HPT Clearance | IPT Efficiency | LPT Efficiency

Test Analysis

Basic Data | LPC Efficiency j LPC Design

IPC Efficiency

Altitude

o kl

Delta T from ISA

Mach Number

Intake Pressure Ratio

0,99

Inner Fan Pressure Ratio

Guter Fan Pressure Ratio

3,5

IP Compressor Pressure Ratio

Compr Interduct Press Ratio

0,98

HP Compressor Pressure Ratio

Bypass Duct Pressure Ratio

0,975

Inlet Corr FlowW2Rstd

kg/s

Design Bypass Ratio

1,5

Bumer Exit Temperature

1800

£ Go on

Bumer Efficiency

0,9999 v

CalcuUite Single Cycle

Demo3UFn.C3U - unmodified

Bild 3.3 Design Point Input eines Three-Spool-Unmixed-Flow-Turbofan

Selbstverständlich können diese Werte verändert werden, um die Simulation an die zu unter¬
suchenden Gegebenheiten anzupassen. Angefangen mit den Basis Daten (Basic Data), über
die Effektivität des Niederdruckverdichters (LPC Efficiency) bis hin zur Effektivität der Nie¬
derdruckturbine (LPT Efficiency) läßt sich die Simulation bis ins kleinste Details anpassen.
Sind die gewünschten Einstellungen vorgenommen und physikalisch vertretbar, kann die Be¬
rechnung gestartet werden.

Nach erfolgreicher Berechnung werden die Ergebnisse in einer Art Tabelle (Bild 3.4) darge¬
stellt. Unter den Reitern Fan, IP Compressor, HP Compressor und Stations werden detaillierte
Berechnungsergebnisse angezeigt.

Bild 3.4

Berechnungsergebnisse eines Three-Spool-Unmixed-Flow-Turbofan

4 Berechnungsgrundlagen

In diesem Abschnitt sollen die untersuchten Triebwerke und jeweiligen Betriebsbedingungen
aufgezeigt werden. Dabei wurde auf die Triebwerksdaten aus GasTurb 8.0 zurückgegriffen.

4.1 Turbofantriebwerk

Turbofantriebwerke sind eine besondere Art von Strahltriebwerken. Sie werden auch als Zwei¬
kreis-, Bläser- oder Bypasstriebwerke bezeichnet. Der Bläser oder Fan, wird von einer mehr¬
stufigen Niederdruckturbine angetrieben. Die angesaugte Luftmasse wird zum größten Teil am
Kemtriebwerk vorbei beschleunigt. Das Luftmassenverhältnis des Sekundär- zum Primärkreis
beschreibt das Bypass- oder Nebenstromverhältnis pi (Bild 4.1). Typische Nebenstromverhält¬
nisse für Turbofantriebwerke liegen in einem Bereich von etwas 0,3 = ju = 8 (Bräunling 2004,
S. 37f).

Bild 4.1

Aufbau eines Turbofantriebwerkes (nach GasTurb 1998)

4.2 Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk

Ein Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk (ZWTT) besteht aus zwei Wellen (Bild 4.2). Auf der Nl-
Welle sitzt die Niederdruckturbine, welche den Niederdruckverdichter und den Fan antreibt.
Entsprechend befinden sich auf der N2-Welle die Hochdruckturbine und der Hochdruckver¬
dichter (Bräunling 2004, S. 38).

Fan/Niederdruckverdichter Hochdruckverdichter

Bild 4.2 Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk (nach GasTurb 1998)

Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk mit separaten Schubdüsen

Wie in Bild 4.2 zu sehen ist, besitzt das Turbofantriebwerk zwei separate Schubdüsen. Eine für
den Sekundär- und eine für den Primärkreis. Der heiße Abgasstrahl, aus dem Primärkreis, wird
also vom kälteren Abgasstrahl des Sekundärkreises, ummantelt (Bräunling 2004, S. 188).

Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk mit Integral Schubdüse

Bild 4.3 zeigt ein Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk mit nur einer Schubdüse. Der Primär- und
der Sekundärstrom treten hier aus einer gemeinsamen Düse aus. Diese Form der Schubdüse
wird auch als Integral Schubdüse bezeichnet. Des weiteren befindet sich am Ende des Trieb¬
werkes ein Mischer (forced mixer). Er bewirkt eine Vennischung von Primär- und Sekundär¬
strom. Durch die erzwungene Strahlvermischung soll eine Lärmminderung und eine Reduzie¬
rung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erreicht werden (Bräunling 2004, S. 188ff).

Fan/Niederdruckverdichter Hochdruckverdichter N2-Welle

Integral

Schubdüse

Mischer

NI-Welle Hochdruckturbine Niederdruckturbine

Bild 4.3

Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk mit Integral Schubdüse (nach GasTurb 1998)

4.3 Drei-Wellen-Turbofantriebwerk

Bei einem Drei-Wellen-Turbofantriebwerk, besteht das Triebwerk aus drei Wellen. Drei-
Wellen-Turbofantriebwerke sind grundlegende Auslegungsphilosophie der britischen Firma
Rolls-Royce. Im Gegensatz zum zweiwelligen Turbofantriebwerk, besitzt dieses Triebwerk
noch einen Mitteldruckverdichter und eine Mitteldruckturbine. Diese Konfiguration erlaubt es,
die Drehzahl des Fans über die NI-Welle bzw. über die Niederdruckturbine separat zu steuern
(Bräunling 2004, S. 29ff).

Mitte 1 druc kverd i c h ter

Bild 4.4 Drei-Wellen-Turbofantriebwerk (nach GasTurb 1998)

Drei-Wellen-Turbofantriebwerk mit separater Schubdüse

Bild 4.4 zeigt, ein Drei-Wellen-Turbofantriebwerk mit separaten Schubdüsen. Wie beim Zwei-
Wellen-Turbofantriebwerk, wird der heiße Abgasstrahl des Primärkreises, vom kühleren Strahl
des Sekundärkreises umhüllt (Bräunling 2004, S. 188).

Drei-Wellen-Turbofantriebwerk mit Integral Schubdüse

In Bild 4.5 ist ein Drei-Wellen-Turbofantriebwerk mit einer Integral Schubdüse Zusehen. Es
befindet sich jedoch kein Mischer am Ende des Triebwerks, so dass es bei dieser Konfigurati¬
on nur zu einer geringen Vermischung von Primär- und Sekundärstrom kommt (Bräunling
2004, S. 188ff).

Integral Schubdüse

Bild 4.5

Drei-Wellen-Turbofantriebwerk mit Integral Schubdüse (nach GasTurb 1998)

4.4 Betriebszustand und Kennwerte ausgewerteter Triebwerke

Als Betriebszustand soll nur der Reiseflug herangezogen werden. Die Werte entstammen bzw.
wurden mit der Gasturbinensimulationssoftware GasTurb 8.0 berechnet.

Start:

Höhe

Umgebungstemperatur
Umgebungsdruck

Keine Zapfluft- und Wellenleistungsentnahme

Reiseflug:

Mach-Zahl
Flughöhe

Umgebungstemperatur
Umgebungsdruck

Keine Zapfluft- und Wellenleistungsentnahme

Als Kennwerte wurden folgende Größen ausgewählt:

Nebenstromverhältnis

Turbineneintrittstemperatur

T41

Startschub

Schub im Reiseflug

Druckverhältnis des Einlaufs

P2/P1

V erdichterdruckverhältnis

P3/P2

288,15 K (nach ISA)
101,325 kPa (nach ISA)

0,8

11000 m

216,65 K (nach ISA)
22,632 kPa (nach ISA)

Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk mit separaten Schubdüsen

Nummerierung der Bezugsebenen eines Zwei-Wellen-Turbofantriebwerks mit separaten
Schubdüsen (Bild 4.6).

Bild 4.6 Bezugsebenen eines ZWTTs mit sep. Schubdüsen (GasTurb 1998)

Gegebene Kennwerte:
ju 6

Start:

T41

1747,12 K

19,04 kN

Reiseflug:

T41

1408,08 K

3,27 kN

P2/P1

1,51

P3/P2

17,33

Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk mit Integral Schubdüse

Nummerierung der Bezugsebenen eines Zwei-Wellen-Turbofantriebwerks mit einer Integral
Schubdüse (Bild 4.7).

Bild 4.7 Bezugsebenen eines ZWTTs mit Integral Schubdüse (GasTurb 1998)

Gegebene Kennwerte:

Start:

T41

Reiseflug:

T41

P2/P1

P3/P2

2,5

1749,06 K
24,33 kN

1553,26 K
5,90 kN
1,51
17,33

Drei-Wellen-Turbofantriebwerk mit separaten Schubdüsen

Nummerierung der Bezugsebenen eines Drei-Wellen-Turbofantriebwerks mit separaten
Schubdüsen (Bild 4.8).

Bild 4.8 Bezugsebenen eines DWTTs mit sep. Schubdüsen (GasTurb 1998)

Gegebene Kennwerte:
ju 1,5

Start:

T41

1756,40 K

39,48 kN

Reiseflug:

T41

1416,73 K

7,98 kN

P2/P1

1,51

P3/P2

41,16

Drei-Wellen-Turbofantriebwerk mit einer Integral Schubdüse

Nummerierung der Bezugsebenen eines Drei-Wellen-Turbofantriebwerks mit einer Integral
Schubdüse (Bild 4.9).

Bild 4.9 Bezugsebenen eines DWTTs mit Integral Schubdüse (GasTurb 1998)

Gegebene Kennwerte:

Start:

T41

Reiseflug:

T41

P2/P1

P3/P2

2,5

1749,97 K
23,53 kN

1458.71 K
4,80 kN
1,51

28.71

5 Zapfluftentnahme

Die Zusammenhänge zwischen der Zapfluftentnahme (bleed air) und dem spezifischen Kraft¬
stoffverbrauch sollen hier erläutert werden.

Neben dem Zapfluftmassenstrom (Overboard Bleed) ist die Stelle der Zapfluftentnahme von
großer Bedeutung für den Triebwerksprozess und somit auch für den spezifischen Kraftstoff¬
verbrauch. Je später im Verdichter die Zapfluft entnommen wird, desto höher ist die relative
Enthalpie. Daher ist es für exakte Berechnungen notwendig, die Entnahmestelle am Verdichter
(Verdichterstufe) zu berücksichtigen (vgl. AIR 1168).

Bei den Simulationen wurde als Flugphase der Reiseflug gewählt, weil das Triebwerk dort am
längsten betrieben wird. Die Ergebnisse sind in Diagrammen dargestellt.

5.1 Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk

Zwei-Wellen-Turbofantriebwerk mit separaten Schubdüsen

Bild 5.1 zeigt den Anstieg des spezifischen Kraftstoffverbrauches, bei zunehmendem Zapf¬
luftmassenstrom und jeweils unterschiedlicher relativer Enthalpie.

Overboard Bleed = 0 ... 0,5 [kg/s]